JP3863283B2 - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体記憶装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体記憶装置は、近年の微細化によって長足の進歩を遂げてきた。しかしながら、LSIの高集積化が要求する低消費電力化の流れに沿って、トンネル酸化膜の信頼を確保したまま動作電圧の低減を謀ると、浮遊ゲートへの電子注入効率の低下という現象を引き起きしてしまう。
【0003】
例えば、現在の一般的な不揮発性半導体記憶装置では、最小加工寸法長をFとすると、最もセル構造が簡単でありセル面積が最も小さいもので、約5.5F2 の素子面積を必要とする。このような大きさのセルに対しても、浮遊ゲートに電子を注入してデータを書き込む場合、又は注入した電子を引き抜いてデータを消去する場合には、トンネル酸化膜にFNトンネリングを起こさせるために例えば18Vというような非常に高い電界を印加させる必要がある。
【0004】
また、基板と浮遊ゲートとの間に介在するトンネル酸化膜のみならず、浮遊ゲートと制御ゲートとの間に存在する絶縁膜にも高い電界が印加されることになる。そこで、トンネル酸化膜にのみトンネル電流が流れてデータの書き込み又は消去が効率良く行われるよう、絶縁膜に対するトンネル酸化膜の膜厚比を調節することにより、絶縁膜の容量C1 に対するトンネル酸化膜の容量C2 の容量結合比γ(=C2 /C1 )を小さくする工夫が施されている。しかし、このような工夫を行っても、従来の半導体記憶装置における書き込み又は消去を行うときの最大動作電圧は、約18Vとかなり高かった。
【0005】
一方で、最大動作電圧が12Vというように低い装置は、例えばチャネルホットエレクトロン注入法を用いることにより、書き込み又は消去に必要な電圧を低減させる工夫を行っている。しかし、その結果としてセル構造が複雑化し、セル面積が11.5F2 というようにかなり大きくなるという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の半導体記憶装置には、セル面積の縮小と最大動作電圧の低減とを両立させることができないという問題があった。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、微細化及び最大動作電圧の大幅な低減を同時に達成することが可能な半導体記憶装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体記憶装置は、表面が鋸歯状に加工されて形成された山部と谷部とを有する半導体基板と、前記半導体基板の谷部において第1の絶縁膜を介して形成され、上部が尖塔状に加工された浮遊ゲートと、前記半導体基板の谷部において前記浮遊ゲートの上部に第2の絶縁膜を介して形成され、下部が谷部に応じた形状を有する制御ゲートとを備え、前記浮遊ゲートの上部の先端と前記制御ゲートの下部の先端とが前記第2の絶縁膜を介して対向するように配置されていることを特徴としている。
【0009】
浮遊ゲートの上部が尖塔状に加工され、この浮遊ゲートの上部の先端と谷部に応じた形状を有する制御ゲートの下部の先端とが対向するように配置されていることで、浮遊ゲートへの電子の注入又は引き抜きに必要な最大動作電圧を低減することができる。また、鋸歯状に加工された半導体基板表面の谷部に浮遊ゲート及び制御ゲートが形成され、この谷部を単位として素子が形成されるので、素子面積が縮小される。
【0010】
ここで、前記浮遊ゲートへの電子の注入、又は注入された電子の引き抜きは、前記第2の絶縁膜を介して前記浮遊ゲートと前記制御ゲートとの間にトンネル電流を発生させて行ってもよい。
【0011】
また、前記半導体基板と前記第1の絶縁膜と前記浮遊ゲートとにより形成される第1の容量と、前記浮遊ゲートと前記第2の絶縁膜と前記制御ゲートとにより形成される第2の容量との容量結合比が、前記浮遊ゲートの底面の寸法と前記制御ゲートの底面の寸法との比率により設定されるものであってもよい。
【0012】
本発明のNAND型不揮発性記憶装置は、セレクトゲートを有する第1のトランジスタの一方の端子と、浮遊ゲート及び制御ゲートを有する少なくとも二つのメモリセルトランジスタのそれぞれの両端子と、セレクトゲートを有する第2のトランジスタの一方の端子とが直列に接続され、前記第1のトランジスタの他方の端子はセレクト線に接続され、前記第2のトランジスタの他方の端子はビット線に接続された装置であって、表面が鋸歯状に加工されて形成された山部と谷部とを有し、山部には不純物拡散層が形成され、それぞれの不純物拡散層が谷部により相互に分離された半導体基板において、前記第1のトランジスタは、谷部に第1の絶縁膜、又は第1及び第2の絶縁膜を介して形成されたセレクトゲートと、この谷部の両側の山部にそれぞれ形成された不純物拡散層とを有し、少なくとも二つの前記メモリセルトランジスタは、前記第1のトランジスタのセレクトゲートが形成された谷部に隣接する少なくとも二つの谷部にそれぞれ前記第1の絶縁膜を介して形成され上部が尖塔状に加工された浮遊ゲートと、この浮遊ゲートの上部に前記第2の絶縁膜を介して対向するようにそれぞれ形成された制御ゲートと、それぞれの谷部の両側の山部に形成された不純物拡散層とを有し、前記第2のトランジスタは、前記メモリセルトランジスタの浮遊ゲートが形成された連続する少なくとも二つの谷部にさらに隣接する谷部に前記第1の絶縁膜、又は前記第1及び第2の絶縁膜を介して形成されたセレクトゲートと、この谷部の両側の山部にそれぞれ形成された不純物拡散層とを有し、前記第1のトランジスタが有する二つの不純物拡散層のうち隣接する前記メモリセルトランジスタと共有しないものはセレクト線に接続され、前記第2のトランジスタが有する二つの不純物拡散層のうち隣接する前記メモリセルトランジスタと共有しないものはビット線に接続されることを特徴としている。
【0013】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面を鋸歯状に加工し、山部と谷部とを形成する工程と、前記半導体基板の谷部の上部に第1の絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板の谷部において、前記第1の絶縁膜の表面上に導電材を堆積して浮遊ゲートを形成する工程と、さらに絶縁膜を形成する処理を行うことにより、前記浮遊ゲートの上部を尖塔状に加工する工程と、前記半導体基板の谷部において、前記浮遊ゲートの表面及び前記第1の絶縁膜を覆うように第2の絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板の谷部において、前記第2の絶縁膜を介して前記浮遊ゲートの上部に導電材を堆積して制御ゲートを形成する工程であって、前記制御ゲートの下部が下向きに凸状になっており、前記浮遊ゲートの尖塔状の上部の位置と自動的に一致する工程とを備えたことを特徴としている。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【0015】
本実施の形態による半導体記憶装置は、図1に示されるようなセル構造を有している。p型半導体基板11の表面が、最小加工寸法Fと同一の間隔を有するように鋸歯状に加工されている。その鋸歯状の山部にn+ 型不純物拡散領域12が形成されており、この不純物領域12は相互に谷部によって分離されており、谷部の表面には膜厚t1 の絶縁膜13が形成されている。
【0016】
絶縁膜13の上部には、浮遊ゲートFGが形成されている。この浮遊ゲートFGは、その上部が尖塔状に加工されている。
【0017】
浮遊ゲートFGの上部に、厚さt2 のトンネル酸化膜14が形成されており、トンネル酸化膜14の上部に制御ゲートCGが形成されている。制御ゲートCG及びトンネル酸化膜14の上部は、絶縁膜15で覆われている。ここで、制御ゲートCGの下部は、半導体基板11の谷部の形状に応じた形状を有し、浮遊ゲートFGの尖塔状の上部とそのその先端同志の位置が一致し、対向するように配置される。また、浮遊ゲートFGと制御ゲートCGとは相対的な大きさが大きく相違し、浮遊ゲートFGの方がかなり小さく形成されている。
【0018】
このような浮遊ゲートFGと制御ゲートCGとの大きさの比率により、絶縁膜13の容量C1 に対するトンネル酸化膜14の容量C2 の容量結合比γ(=C2 /C1 )が小さくなっている。この結果、基板11と制御ゲートCGとの間に印加する制御ゲート電圧VG が低くとも、浮遊ゲートFGと制御ゲートCGとの間のトンネル酸化膜14においてFNトンネリングを起こしてトンネル電流を発生させ、データの書き込み又は消去を行うことができる。
【0019】
また、半導体基板11の表面が鋸歯状に加工され、山部にn+ 型不純物拡散領域12が形成され、それぞれの不純物領域12は谷部により相互に分離されている。これにより、n+ 型不純物領域12で構成されるソース、ドレイン領域を一つの谷部の中に収めることが可能である。この結果、セル面積の幅をほぼFと同一の値にすることが可能であり、微細化が達成される。
【0020】
以下に、本実施の形態によれば、絶縁膜13とトンネル酸化膜14との容量結合比に基づいて、最大動作電圧が低減されることを図2を用いて詳細に説明する。半導体基板11の谷部における浮遊ゲートFG下の絶縁膜13を、領域10、11及び12の3つの部分に分けて、それぞれの容量をC10、C11、C12とする。
【0021】
領域11及び12は、共に面積がs1 ・Wの平行板MOS容量であって、それぞれの容量は以下の(1)式のように表される。
【0022】
【数1】
ここで、εは酸化膜の誘電率、Wはチャネル幅とする。
【0023】
残りの領域10は、絶縁破壊が発生しない限りにおいて、その容量C10の値は有限値となる。よって、この谷部における全容量C1 は、次の(2)式のようになる。
【0024】
【数2】
一方で、浮遊ゲートFGの上部におけるトンネル酸化膜14の容量C2 は、
【0025】
【数3】
のように表される。
【0026】
従って、絶縁膜13の容量C1 に対するトンネル酸化膜14の容量C2 の容量結合比γは、以下のようである。
【0027】
【数4】
但し、簡単のため、絶縁膜13とトンネル酸化膜14とは比誘電率が等しい酸化膜で構成されているものとした。
【0028】
ここで、本実施の形態の特徴である浮遊ゲートFGと制御ゲートCGとの間においてFNトンネリング現象を利用したデータの書き込み又は消去を可能にするためには、以下の(5)式のような条件が成立する必要がある。
【0029】
【数5】
ここで、電圧に関する単位は全て〔V〕とする。
【0030】
(5)式において、第1項及び第2項から成る不等式は、浮遊ゲートFGと制御ゲートCGとの間でFNトンネリングが発生するための制御電圧VG の下限を示し、第2項及び第3項から成る不等式は、半導体基板11と浮遊ゲートFGとの間でFNトンネリングが発生しないための制御電圧VG の上限値を示す。
【0031】
また、高電圧を印加するデータの書き込み又は消去時において、基板と浮遊ゲートFGとの間の薄い絶縁膜13に直接トンネル電流が流れても、浮遊ゲートFGと制御ゲートCGとの間で電子の注入又は引き抜きが可能となるためには、以下の(6)式が成立する必要がある。
【0032】
【数6】
さらに、電子の注入速度及び引き抜き速度が低下しないようにするためには、トンネル酸化膜14に印加される電界F2 は、109 〔V/m〕程度が要求されるので、この部分の電圧V2 をトンネル酸化膜14の膜厚t2 で除した値F2 は、以下のようである。
【0033】
【数7】
ここで、長さに関する単位は、全てオングストロームとする。
【0034】
上記(5)式及び(7)式より、以下の(8)式が導かれる。
【0035】
【数8】
さらに上記(6)式においてγを0とすると、上記(8)式を用いることにより次の(9)式が得られる。
【0036】
t1 >24 (9)
この(8)式及び(9)式より、絶縁膜13の膜厚t1 とトンネル酸化膜14の膜厚t2 と、容量結合比γとの関係式が明らかにされた。
【0037】
次に、本実施の形態における最大閾値電圧Vthと制御電圧VG との関係について考察する。浮遊ゲートFGに電子を注入した後に、データを読み出す際の閾値電圧Vthは、Vthより高い読み出し時の電圧によって浮遊ゲートFGから電子が引き抜かれないように設定しなければならない。
【0038】
基板11の谷部における絶縁膜13に印加される電圧V1 によって、その表面に反転層が形成されるが、そのときの閾値電圧Vthは次の(10)式のように表される。
【0039】
【数9】
ここで、NA はアクセプター不純物密度であり、その単位は〔cm-3〕とする。この(10)式において不等号が用いられているが、第1項及び第2項から成る不等式は、制御電圧VG が閾値Vthよりも高くなければならないことを示し、第2項及び第3項から成る不等式は、データ読み出し時において上述したように制御電圧VG がFNトンネリングを発生させる値よりも低くなければならないことを示している。
【0040】
また、この場合に製造工程に対して、以下の(11)式で表されるような条件が必要となる。
【0041】
【数10】
この(11)式で示された条件と、上記(8)式が示す条件とを考慮すると、次の(12)式が成立しなければならない。
【0042】
【数11】
ここで、NA を1017〔cm-3〕とすると、t1 <2100オングストロームとなる。実際のセルにおける絶縁膜13の膜厚t1 は、2100オングストロームよりもはるかに小さい値をとるので、殆ど考慮する必要のない条件である。
【0043】
次に、絶縁膜13の膜厚t1 に対するトンネル酸化膜t2 の膜厚比t2 /t1 の上限を、上記(6)式を用いて図3に示す。この図からも明らかなように、膜厚比t2 /t1 は容量結合比の逆数1/γに対して、単調に増加することがわかる。また、膜厚比t2 /t1 は制御ゲート電圧VG に対しても、3〜10〔V〕の範囲内では単調に増加する。
【0044】
ここで、この図3に示された範囲内では、膜厚比t2 /t1 は常に0.5以上の値を取っている。そこで、具体的なセルの一例として、絶縁膜t1 の膜厚を100オングストローム、トンネル酸化膜t2 の膜厚を50オングストロームとし、さらに、s1 がs2 の2倍以上ある場合を考えると、上記(8)式より、次の(13)式を導くことができる。
【0045】
γ-1>s1 /s2 >2 (13)
この(13)式と上記(5)式とを用いることにより、データの書き込み又は消去時には、次の(14)式で表されるような制御ゲート電圧VG が必要となることがわかる。
【0046】
4.5<VG <8.1 (14)
この(14)式で示されたように、本実施の形態によれば、基板と制御ゲートとの間に印加する電圧は、4.5〜8.1〔V〕というように従来のものよりも大幅に低減される。
【0047】
以下に、本実施の形態による半導体記憶装置の製造方法について図4及び図5を用いて説明する。
【0048】
先ず、図4を用いて半導体基板の表面に鋸歯状の加工を行う手順を説明する。図4(a)のように、p型半導体基板11の(100)表面に、n型不純物拡散層12を形成する。この形成は、例えば基板11の表面上にシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜をn型不純物を導入させながら形成し、あるいは形成後に不純物をイオン注入し、熱拡散を行ってシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜内の不純物を半導体基板11表面に拡散することで行うことができる。n型不純物拡散層12上にシリコン窒化膜51をマスク材としてCVD法により形成する。シリコン窒化膜51上に、所定の形状にパターニングされたレジスト膜52を形成する。
【0049】
図4(b)のように、レジスト膜52を用いてシリコン窒化膜51にエッチングを行う。得られたシリコン窒化膜51をマスク材として、図4(c)のように半導体基板11に結晶学的面異方性エッチング(LSIハンドブック、オーム社、第264〜265頁参照)を行い、(111)面が露出するようにV字型の溝を掘る。この時、溝の底面に半導体基板11の表面が露出するように溝の深さ及び不純物拡散層12の深さを設定する必要がある。
【0050】
図4(d)のように、溝の内部をCVD法によりシリコン酸化膜53で埋めた後、図4(e)のようにシリコン窒化膜51を剥離する。
【0051】
シリコン酸化膜53をマスクとして、半導体基板11に再び結晶学的面異方性エッチングを行い、図4(f)のようにV字型の溝を掘る。このような工程を経ることで、山部にn+ 型不純物拡散層12が形成され、谷部により拡散層12が相互に分離された鋸歯状に半導体基板11の表面が加工される。
【0052】
次に、図5を用いて谷部に浮遊ゲート及び制御ゲートを形成する手順について述べる。図5(a)のように、半導体基板11の表面が最小加工寸法Fの間隔で鋸歯状に加工されている。このような半導体基板11の表面に対してラジカル酸化を行い、図5(b)に示されたように薄いシリコン酸化膜21を形成する。この場合に、半導体基板11の谷部22において酸化剤が集中するので、シリコン酸化膜21は谷部22において他の部分よりも膜厚が相対的に厚くなる。
【0053】
図5(c)のように、グラフォーエピタキシャル成長を行うことで、谷部においてシリコン酸化膜21の表面上に、結晶性シリコンから成る浮遊ゲート23を形成する。ここで、浮遊ゲート23を構成するシリコンはエピタキシャル状であるので、従来の多結晶シリコンから成る浮遊ゲートよりも界面の状態は良好である。
【0054】
さらに、もう一度ラジカル酸化処理を行うと、谷部の表面に表れた基板11の(111)面の酸化速度が速いために、図5(d)に示されたように浮遊ゲート23の上部が尖塔状に加工されて行く。又、浮遊ゲート23の下部は酸化剤が集まらないため、他の部分より酸化の進行が遅く、その結果として谷部は丸見をおびる。
【0055】
さらに酸化処理を進めて、図5(e)に示されたように、浮遊ゲート23の表面及びシリコン酸化膜21の表面を覆うように、シリコン酸化膜24を形成する。
【0056】
図5(f)のように、浮遊ゲート23の上部に、シリコン酸化膜24を介して再度グラフォーエピタキシャル成長を行うことで、制御ゲート25を形成する。このようにして形成された制御ゲート25の下部は、谷部の形状に対応した形状を有し、上部が尖塔状である浮遊ゲート23とセルフアライメントでその先端の位置が一致し対向するように配置される。この後、図5(g)のようにCVD法を用いてシリコン酸化膜26を全体に堆積する。以上のような工程を経ることで、本実施の形態による半導体記憶装置を製造することが可能である。
【0057】
次に、本実施の形態による半導体記憶装置をNAND型E2 PROMに適用した場合について述べる。この場合の回路構成は、図6に示されているようである。ソース側のセレクトゲート用トランジスタT1の一方の端子はセレクト線SLに接続され、このトランジスタT1の他方の端子と、浮遊ゲート及び制御ゲートを有するメモリセルMC1〜MC4の両端子と、ドレイン側のセレクトゲート用トランジスタT2の一方の端子が直列に接続され、トランジスタT2の他方の端子がビット線コンタクトBLCを介してビット線BLに接続されている。トランジスタT1のセレクトゲートにはセレクトゲート線SGSが接続され、メモリセルMC1〜MC4のそれぞれの制御ゲートにはワード線WL1〜WL4が接続され、トランジスタT2のセレクトゲートにはセレクトゲート線SGDが接続されている。
【0058】
このような回路構成を有するNAND型E2 PROMに本実施の形態による半導体記憶装置を適用すると、図7に示されるような断面構成を有するものとなる。p型半導体基板11の表面が鋸歯状に加工されており、それぞれの山部にn型不純物領域12が形成されている。半導体基板11において順に隣接した6つの谷部を単位として、トランジスタT1、メモリセルMC1〜MC4、トランジスタT2がそれぞれ配置され、トランジスタT1は谷部にセレクトゲートSGSを有し、メモリセルMC1〜MC4は、それぞれの谷部に浮遊ゲートFG1〜FG4と制御ゲートCG1〜CG4とを有し、トランジスタT2は谷部にセレクトゲートSGDを有する。トランジスタT1の一方の端子に対応するn型不純物領域12(T1a)はセレクト線SLに接続され、トランジスタT2の一方の端子に対応するn型不純物領域12(T2b)はビット線BLに接続される。
【0059】
トランジスタT1の他方の端子に対応するn型不純物領域12(T1b)は、メモリセルMC1の一方のn型不純物領域12(MC1a)と同一の山部において共有し、メモリセルMC1の他方のn型不純物領域12(MC1b)とメモリセルMC2の一方のn型不純物領域12(MC2a)とは同一の山部により共有する。メモリセルMC2の他方のn型不純物領域12(MC2b)とメモリセルMC3の一方のn型不純物領域12(MC3a)とは同一の山部において共有し、メモリセルMC3の他方のn型不純物領域12(MC3b)とメモリセルMC4の一方のn型不純物領域12(MC4a)とは同一の山部において共有する。同様に、メモリセルMC4の他方のn型不純物領域12(MC4b)とトランジスタT2の他方の端子に対応するn型不純物領域12(T2a)とは、同一の山部で共有している。
【0060】
また、トランジスタT1のセレクトゲートSGS及びトランジスタT2のセレクトゲートSGDは、メモリセルトランジスタMC1〜MC4の浮遊ゲートFG1〜FG4と同一の工程で形成してもよく、あるいはメモリセルトランジスタMC1〜MC4の制御ゲートCG1〜CG4と同一の工程で形成してもよい。
【0061】
このように、本実施の形態をNAND型E2 PROMに適用することで、鋸歯状に加工された半導体基板の谷部を単位としてトランジスタT1、T2、メモリセルMC1〜MC2を連続的に配置することで集積度が向上し、さらにそれぞれの不純物領域12の素子分離も谷部を利用することで容易に行うことができる。
【0062】
上述した実施の形態は一例であり、本発明を限定するものではない。例えば、上記実施の形態による製造方法における各種製造条件や膜厚、材質等は一例であり、必要に応じて変えることができる。また、本発明による半導体記憶装置は、NAND型E2 PROMに限らず他の各種記憶装置に適用してもよい。
【0063】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体記憶装置及びその製造方法によれば、鋸歯状に加工された半導体基板の谷部において、上部が尖塔状の形状を有する浮遊ゲートと、谷部の形状に応じて下方に向かって鋭角的な形状を有する制御ゲートとが対向するように配置されていることで、データの書き込み又は消去時に必要な最大動作電圧が低減されると共に、集積度を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のー実施の形態による半導体記憶装置の構成を示した縦断面図。
【図2】同半導体記憶装置における浮遊ゲートの断面をより詳細に示した縦断面図。
【図3】同半導体記憶装置における膜厚比、制御ゲート電圧、容量結合比の関係を示したグラフ。
【図4】同半導体記憶装置を製造する前段階として半導体基板の表面に鋸歯状の加工を行う手順を示した縦断面図。
【図5】同半導体記憶装置を製造するときの工程別の素子の断面構造を示した縦断面図。
【図6】NAND型E2 PROMの回路構成を示した回路図。
【図7】同NAND型E2 PROMに本実施の形態を適用した場合の断面構造を示した縦断面図。
【符号の説明】
11 p型半導体基板
12 n+ 型不純物領域
13、15、21、22、26、53 シリコン酸化膜
14、24 トンネル酸化膜
51 シリコン窒化膜
52 レジスト膜
FG、23 浮遊ゲート
CG、25 制御ゲート
WL1〜WL4 ワード線
SL セレクト線
SGS、SGD セレクトゲート
BL ビット線
MC1〜MC4 メモリセル
T1、T2 セレクトゲート用トランジスタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor memory devices have made great strides due to recent miniaturization. However, in line with the trend toward lower power consumption required by higher integration of LSIs, reducing the operating voltage while ensuring the reliability of the tunnel oxide film will lead to the phenomenon of reduced efficiency of electron injection into the floating gate. I get up.
[0003]
For example, in the current general nonvolatile semiconductor memory device, when the minimum processing dimension length is F, the cell structure is the simplest and the cell area is the smallest, and an element area of about 5.5 F 2 is required. . Even in such a cell, when data is written by injecting electrons into the floating gate, or when data is erased by extracting the injected electrons, FN tunneling is caused in the tunnel oxide film. For example, it is necessary to apply a very high electric field such as 18V.
[0004]
In addition, a high electric field is applied not only to the tunnel oxide film interposed between the substrate and the floating gate but also to the insulating film existing between the floating gate and the control gate. Therefore, by adjusting the thickness ratio of the tunnel oxide film to the insulating film so that the tunnel current flows only in the tunnel oxide film and the data is written or erased efficiently, the tunnel oxide film has a capacitance C1 with respect to the capacitance C1 of the insulating film. A measure is taken to reduce the capacitance coupling ratio γ (= C2 / C1) of the capacitor C2. However, even with such a device, the maximum operating voltage when writing or erasing in the conventional semiconductor memory device is considerably high at about 18V.
[0005]
On the other hand, a device whose maximum operating voltage is as low as 12 V is devised to reduce a voltage required for writing or erasing by using, for example, a channel hot electron injection method. However, as a result, there is a problem that the cell structure becomes complicated and the cell area becomes considerably large as 11.5F 2 .
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional semiconductor memory device has a problem that the reduction of the cell area and the reduction of the maximum operating voltage cannot be achieved at the same time.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof that can simultaneously achieve miniaturization and a significant reduction in the maximum operating voltage.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor memory device according to the present invention includes a semiconductor substrate having a crest and a trough formed by processing the surface into a sawtooth shape, and a first insulating film formed in the trough of the semiconductor substrate via the first insulating film. A floating gate processed into a spire shape, and a control gate formed in a valley portion of the semiconductor substrate above the floating gate via a second insulating film, and a lower portion having a shape corresponding to the valley portion The top end of the floating gate and the bottom end of the control gate are arranged so as to face each other with the second insulating film interposed therebetween.
[0009]
The upper part of the floating gate is processed into a steeple shape, and the tip of the upper part of the floating gate and the lower part of the control gate having a shape corresponding to the valley are arranged so as to face each other. The maximum operating voltage required for electron injection or extraction can be reduced. In addition, a floating gate and a control gate are formed in a trough on the surface of the semiconductor substrate processed into a sawtooth shape, and an element is formed with this trough as a unit, so that the element area is reduced.
[0010]
Here, the injection of electrons into the floating gate or the extraction of the injected electrons may be performed by generating a tunnel current between the floating gate and the control gate via the second insulating film. Good.
[0011]
A first capacitor formed by the semiconductor substrate, the first insulating film and the floating gate; and a second capacitor formed by the floating gate, the second insulating film and the control gate. May be set by a ratio between the dimension of the bottom surface of the floating gate and the dimension of the bottom surface of the control gate.
[0012]
The NAND type nonvolatile memory device of the present invention has one terminal of a first transistor having a select gate, both terminals of at least two memory cell transistors each having a floating gate and a control gate, and a first gate having a select gate. One terminal of the second transistor is connected in series, the other terminal of the first transistor is connected to the select line, and the other terminal of the second transistor is connected to the bit line. In a semiconductor substrate having a crest and a trough formed by processing the surface in a sawtooth shape, an impurity diffusion layer is formed in the crest, and each impurity diffusion layer is separated from each other by a trough The first transistor includes a select gate formed in the valley via the first insulating film or the first and second insulating films, and peaks on both sides of the valley. And at least two of the memory cell transistors are formed in at least two valleys adjacent to the valley where the select gate of the first transistor is formed, respectively. Floating gates formed through an insulating film and processed in a spire shape at the top, control gates formed so as to face the upper part of the floating gate through the second insulating film, and respective troughs And the impurity diffusion layer formed on the crests on both sides of the memory cell, and the second transistor further includes a trough portion adjacent to at least two continuous trough portions where the floating gate of the memory cell transistor is formed. A select gate formed via the first insulating film or the first and second insulating films, and an impurity diffusion layer formed at the crests on both sides of the trough One of the two impurity diffusion layers of the first transistor that is not shared with the adjacent memory cell transistor is connected to the select line, and is adjacent to the two impurity diffusion layers of the second transistor The memory cell transistor that is not shared is connected to a bit line.
[0013]
According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the surface of the semiconductor substrate is processed into a sawtooth shape to form a crest and a trough, and the first insulating film is formed on the top of the trough of the semiconductor substrate. Performing a step of forming a floating gate by depositing a conductive material on the surface of the first insulating film in a valley portion of the semiconductor substrate, and further performing a process of forming an insulating film. A step of processing the upper portion of the semiconductor substrate into a spire shape, a step of forming a second insulating film so as to cover the surface of the floating gate and the first insulating film in a valley portion of the semiconductor substrate, In the valley portion, a step of forming a control gate by depositing a conductive material on the floating gate via the second insulating film, the lower portion of the control gate is convex downward, The position of the top of the floating gate spire It is characterized by comprising the step of dynamically match.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
The semiconductor memory device according to the present embodiment has a cell structure as shown in FIG. The surface of the p-
[0016]
A floating gate FG is formed on the
[0017]
A
[0018]
Due to the ratio of the size of the floating gate FG and the control gate CG, the capacitance coupling ratio γ (=
[0019]
In addition, the surface of the
[0020]
Hereinafter, it will be described in detail with reference to FIG. 2 that the maximum operating voltage is reduced based on the capacitive coupling ratio between the insulating
[0021]
Each of the
[0022]
[Expression 1]
Here, ε is the dielectric constant of the oxide film, and W is the channel width.
[0023]
The remaining
[0024]
[Expression 2]
On the other hand, the capacitance C2 of the
[0025]
[Equation 3]
It is expressed as
[0026]
Therefore, the capacitance coupling ratio γ of the capacitance C2 of the
[0027]
[Expression 4]
However, for the sake of simplicity, it is assumed that the insulating
[0028]
Here, in order to enable data writing or erasing using the FN tunneling phenomenon between the floating gate FG and the control gate CG, which is a feature of the present embodiment, the following equation (5) is used. The condition needs to be met.
[0029]
[Equation 5]
Here, all the units related to the voltage are [V].
[0030]
In the equation (5), the inequality consisting of the first term and the second term indicates the lower limit of the control voltage VG for causing FN tunneling between the floating gate FG and the control gate CG. The inequality consisting of the terms indicates the upper limit value of the control voltage VG so that FN tunneling does not occur between the
[0031]
Further, even when a tunnel current flows directly through the thin insulating
[0032]
[Formula 6]
Further, in order to prevent the electron injection rate and the drawing rate from decreasing, the electric field F2 applied to the
[0033]
[Expression 7]
Here, all the units relating to the length are angstroms.
[0034]
From the above formulas (5) and (7), the following formula (8) is derived.
[0035]
[Equation 8]
Further, when γ is 0 in the above equation (6), the following equation (9) is obtained by using the above equation (8).
[0036]
t1> 24 (9)
From the equations (8) and (9), the relational expression between the film thickness t1 of the insulating
[0037]
Next, the relationship between the maximum threshold voltage Vth and the control voltage VG in this embodiment will be considered. After injecting electrons into the floating gate FG, the threshold voltage Vth for reading data must be set so that electrons are not extracted from the floating gate FG by a reading voltage higher than Vth.
[0038]
An inversion layer is formed on the surface of the
[0039]
[Equation 9]
Here, NA is the acceptor impurity density, and its unit is [cm −3 ]. The inequality sign is used in this equation (10), but the inequality expression consisting of the first and second terms indicates that the control voltage VG must be higher than the threshold value Vth. From the second and third terms, This inequality indicates that the control voltage VG must be lower than the value that causes FN tunneling, as described above, when reading data.
[0040]
In this case, the conditions represented by the following formula (11) are required for the manufacturing process.
[0041]
[Expression 10]
Considering the condition indicated by the expression (11) and the condition indicated by the expression (8), the following expression (12) must be established.
[0042]
[Expression 11]
Here, when NA is 10 17 [cm −3 ],
[0043]
Next, the upper limit of the film thickness ratio t2 / t1 of the tunnel oxide film t2 to the film thickness t1 of the insulating
[0044]
Here, within the range shown in FIG. 3, the film thickness ratio t2 / t1 always takes a value of 0.5 or more. Therefore, as a specific example of the cell, the case where the thickness of the insulating film t1 is 100 angstroms, the thickness of the tunnel oxide film t2 is 50 angstroms, and s1 is more than twice s2 is considered. ), The following equation (13) can be derived.
[0045]
γ -1 > s1 / s2> 2 (13)
By using this equation (13) and the above equation (5), it can be seen that a control gate voltage VG represented by the following equation (14) is required when data is written or erased.
[0046]
4.5 <VG <8.1 (14)
As shown in the equation (14), according to the present embodiment, the voltage applied between the substrate and the control gate is 4.5 to 8.1 [V], compared with the conventional one. Is also greatly reduced.
[0047]
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor memory device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0048]
First, the procedure for performing sawtooth processing on the surface of a semiconductor substrate will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4A, the n-type
[0049]
As shown in FIG. 4B, the
[0050]
As shown in FIG. 4D, after the trench is filled with the
[0051]
Using the
[0052]
Next, the procedure for forming the floating gate and the control gate in the valley will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5A, the surface of the
[0053]
As shown in FIG. 5C, the floating
[0054]
Further, when the radical oxidation treatment is performed again, the oxidation rate of the (111) plane of the
[0055]
Further, an oxidation process is performed to form a
[0056]
As shown in FIG. 5F, the
[0057]
Next, a case where the semiconductor memory device according to the present embodiment is applied to a NAND type E 2 PROM will be described. The circuit configuration in this case is as shown in FIG. One terminal of the source side select gate transistor T1 is connected to the select line SL, the other terminal of the transistor T1, both terminals of the memory cells MC1 to MC4 having the floating gate and the control gate, and the drain side select. One terminal of the gate transistor T2 is connected in series, and the other terminal of the transistor T2 is connected to the bit line BL via the bit line contact BLC. A select gate line SGS is connected to the select gate of the transistor T1, word lines WL1 to WL4 are connected to the control gates of the memory cells MC1 to MC4, and a select gate line SGD is connected to the select gate of the transistor T2. ing.
[0058]
When the semiconductor memory device according to the present embodiment is applied to the NAND type E 2 PROM having such a circuit configuration, it has a cross-sectional configuration as shown in FIG. The surface of the p-
[0059]
The n-type impurity region 12 (T1b) corresponding to the other terminal of the transistor T1 is shared at the same peak as the one n-type impurity region 12 (MC1a) of the memory cell MC1, and the other n-type of the memory cell MC1. Impurity region 12 (MC1b) and one n-type impurity region 12 (MC2a) of memory cell MC2 are shared by the same peak. The other n-type impurity region 12 (MC2b) of the memory cell MC2 and one n-type impurity region 12 (MC3a) of the memory cell MC3 are shared at the same peak, and the other n-
[0060]
The select gate SGS of the transistor T1 and the select gate SGD of the transistor T2 may be formed in the same process as the floating gates FG1 to FG4 of the memory cell transistors MC1 to MC4, or the control gates of the memory cell transistors MC1 to MC4. You may form in the same process as CG1-CG4.
[0061]
In this way, by applying this embodiment to the NAND type E 2 PROM, the transistors T1 and T2 and the memory cells MC1 to MC2 are continuously arranged in units of troughs of the semiconductor substrate processed into a sawtooth shape. As a result, the degree of integration is improved, and element isolation of each
[0062]
The above-described embodiment is an example and does not limit the present invention. For example, various manufacturing conditions, film thicknesses, materials, and the like in the manufacturing method according to the above embodiment are examples, and can be changed as necessary. The semiconductor memory device according to the present invention is not limited to the NAND type E 2 PROM, and may be applied to other various memory devices.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor memory device and the method of manufacturing the same of the present invention, in the valley portion of the semiconductor substrate processed into a sawtooth shape, the floating gate having a spire-shaped upper portion and the valley portion shape. Correspondingly, the control gate having an acute shape facing downward is arranged so as to oppose, so that the maximum operating voltage required for data writing or erasing is reduced and the degree of integration is improved. Is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a cross section of a floating gate in the semiconductor memory device in more detail.
FIG. 3 is a graph showing a relationship among a film thickness ratio, a control gate voltage, and a capacitive coupling ratio in the semiconductor memory device.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a procedure for performing sawtooth processing on the surface of the semiconductor substrate as a pre-stage for manufacturing the semiconductor memory device;
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure of an element for each process when manufacturing the semiconductor memory device;
FIG. 6 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a NAND E 2 PROM.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a sectional structure when the present embodiment is applied to the NAND type E 2 PROM;
[Explanation of symbols]
11 p-type semiconductor substrate 12 n + -
Claims (5)
前記半導体基板の谷部において第1の絶縁膜を介して形成され、上部が尖塔状に加工された浮遊ゲートと、
前記半導体基板の谷部において前記浮遊ゲートの上部に第2の絶縁膜を介して形成され、下部が谷部に応じた形状を有する制御ゲートと、
を備え、
前記浮遊ゲートの上部の先端と前記制御ゲートの下部の先端とが前記第2の絶縁膜を介して対向するように配置されていることを特徴とする半導体記憶装置。A semiconductor substrate having a crest and a trough formed by processing the surface into a sawtooth shape;
A floating gate formed in the valley portion of the semiconductor substrate via the first insulating film, and the upper portion processed into a spire shape;
A control gate formed in a valley portion of the semiconductor substrate above the floating gate via a second insulating film, and a lower portion having a shape corresponding to the valley portion;
With
A semiconductor memory device, wherein the top end of the floating gate and the bottom end of the control gate are arranged to face each other with the second insulating film interposed therebetween.
表面が鋸歯状に加工されて形成された山部と谷部とを有し、山部には不純物拡散層が形成され、それぞれの不純物拡散層が谷部により相互に分離された半導体基板において、
前記第1のトランジスタは、谷部に第1の絶縁膜、又は第1及び第2の絶縁膜を介して形成されたセレクトゲートと、この谷部の両側の山部にそれぞれ形成された不純物拡散層とを有し、
少なくとも二つの前記メモリセルトランジスタは、前記第1のトランジスタのセレクトゲートが形成された谷部に隣接する連続した少なくとも二つの谷部にそれぞれ前記第1の絶縁膜を介して形成された上部が尖塔状の浮遊ゲートと、この浮遊ゲートの上部に前記第2の絶縁膜を介して対向するようにそれぞれ形成された制御ゲートと、それぞれの谷部の両側の山部に形成された不純物拡散層とを有し、
前記第2のトランジスタは、前記メモリセルトランジスタの浮遊ゲートが形成された連続する少なくとも二つの谷部にさらに隣接する谷部に前記第1の絶縁膜、又は前記第1及び第2の絶縁膜を介して形成されたセレクトゲートと、この谷部の両側の山部にそれぞれ形成された不純物拡散層とを有し、
前記第1のトランジスタが有する二つの不純物拡散層のうち隣接する前記メモリセルトランジスタと共有しないものはセレクト線に接続され、前記第2のトランジスタが有する二つの不純物拡散層のうち隣接する前記メモリセルトランジスタと共有しないものはビット線に接続されることを特徴とする半導体記憶装置。One terminal of the first transistor having the select gate, both terminals of at least two memory cell transistors having the floating gate and the control gate, and one terminal of the second transistor having the select gate are connected in series. A NAND type nonvolatile memory device in which the other terminal of the first transistor is connected to a select line, and the other terminal of the second transistor is connected to a bit line;
In the semiconductor substrate in which the surface has a crest and a trough formed by processing in a sawtooth shape, an impurity diffusion layer is formed in the crest, and each impurity diffusion layer is separated from each other by the trough,
The first transistor includes a select gate formed in the valley via the first insulating film or the first and second insulating films, and impurity diffusion formed in the peaks on both sides of the valley. And having a layer
At least two of the memory cell transistors have an upper portion formed through the first insulating film in at least two continuous valleys adjacent to the valley where the select gate of the first transistor is formed. A floating gate, a control gate formed on the floating gate so as to be opposed to each other with the second insulating film interposed therebetween, and an impurity diffusion layer formed on the crests on both sides of each trough Have
The second transistor may include the first insulating film or the first and second insulating films in a valley portion further adjacent to at least two continuous valley portions where the floating gate of the memory cell transistor is formed. And a select gate formed through, and an impurity diffusion layer formed in each of the peaks on both sides of the valley,
Of the two impurity diffusion layers of the first transistor, the one not shared with the adjacent memory cell transistor is connected to a select line, and the adjacent memory cell of the two impurity diffusion layers of the second transistor What is not shared with a transistor is connected to a bit line.
前記半導体基板の谷部の上部に第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板の谷部において、前記第1の絶縁膜の表面上に導電材を堆積して浮遊ゲートを形成する工程と、
さらに絶縁膜を形成する処理を行うことにより、前記浮遊ゲートの上部を尖塔状に加工する工程と、
前記半導体基板の谷部において、前記浮遊ゲートの表面及び前記第1の絶縁膜を覆うように第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板の谷部において、前記第2の絶縁膜を介して前記浮遊ゲートの上部に導電材を堆積して制御ゲートを形成する工程であって、前記制御ゲートの下部が下向きに凸状になっており、前記浮遊ゲートの尖塔状の上部の位置と自動的に一致する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。Processing the surface of the semiconductor substrate into a sawtooth shape, forming a crest and a trough;
Forming a first insulating film on the top of the valley of the semiconductor substrate;
Forming a floating gate by depositing a conductive material on the surface of the first insulating film in the valley portion of the semiconductor substrate;
Further, by performing a process of forming an insulating film, processing the top of the floating gate into a spire shape,
Forming a second insulating film so as to cover the surface of the floating gate and the first insulating film in the valley portion of the semiconductor substrate;
Forming a control gate by depositing a conductive material on the upper portion of the floating gate via the second insulating film in a valley portion of the semiconductor substrate, wherein the lower portion of the control gate is convex downward And automatically matching the position of the spire-shaped upper part of the floating gate;
A method of manufacturing a semiconductor memory device.
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